Qual è la differenza tra compressione del vapore e distillazione a effetto multiplo?
L'acqua per uso iniettabile (WFI) è fondamentale per la somministrazione di farmaci parenterali, in quanto questa acqua ad altissima purezza consente di diluire le sostanze farmaceutiche per l'iniezione o l'applicazione endovenosa. Per creare l'acqua più pura possibile a questo scopo si possono utilizzare due metodologie comuni: la compressione del vapore (VC) e la distillazione a effetto multiplo (MED).
Prima di essere sottoposta a uno di questi processi, l'acqua deve passare attraverso una serie di misure di purificazione iniziali che possono includere la diclorazione, l'addolcimento, la deionizzazione, la disinfezione UV o l'osmosi inversa. Solo a questo punto è pronta per il trattamento VC o MED che la porta al livello di purezza richiesto per l'uso come acqua da iniezione?
Il confronto tra la compressione del vapore e la distillazione a effetto multiplo richiede una comprensione dei due processi e delle loro differenze di approccio.
Che cos'è e come funziona il ciclo di distillazione a compressione di vapore?
In origine progettato per scopi di desalinizzazione, il concetto di compressione del vapore (VC) è un processo di distillazione che consiste in un singolo evaporatore in cui l'acqua di alimentazione bolle, convertendosi in vapore, che viene poi condensato per formare Acqua da iniettare (WFI). Il vapore subisce un ciclo di riscaldamento iniziale di preriscaldamento e decarbonizzazione prima di entrare in un compressore, che rimuove CO2, ossigeno e altri gas disciolti dall'acqua di alimentazione prima di entrare nell'evaporatore del vapore, contribuendo a ridurre la corrosione e la conducibilità del prodotto finale WFI. Questo sistema aumenta la pressione del vapore a circa 3 ½ psi, dirigendolo all'esterno dei tubi dell'evaporatore. L'economia termica o l'efficienza del processo VC deriva dal riciclo del calore latente, eliminando la necessità di un condensatore separato che utilizza acqua di raffreddamento.
Quando l'acqua diventa vapore, viene catturata da tubi e portata in un demister per rimuovere le gocce solide intrappolate. Il vapore puro rimanente condensato si accumula all'esterno dei tubi dell'evaporatore sotto forma di distillato, poi si raccoglie sul fondo del tubo e viene prelevato da una pompa per distillati, scaricandolo attraverso uno o più scambiatori di calore a fascio tubiero. Nei sistemi VC, l'acqua di alimentazione viene preriscaldata attraverso scambiatori di calore e introdotta nell'evaporatore di vapore per bollire a circa 1 psi.
Da qui, una pompa di distillazione lo fa passare attraverso un raffreddatore, dopo di che diventa WFI. La distillazione a compressione di vapore può produrre WFI sia a caldo che a temperatura ambiente, senza bisogno di acqua di raffreddamento, aggiungendo alcuni raffreddatori di distillato.
Che cos'è la distillazione a più effetti?
Gli effetti multipli che danno il nome al processo MED derivano dal passaggio dell'acqua attraverso diversi "effetti", o cellule, per raggiungere l'obiettivo della purificazione, in genere da 3 a 8. Il vapore dell'impianto viene alimentato al primo effetto per riscaldare l'acqua e la creare vapore puro. Ogni effetto è un recipiente in pressione che assomiglia a uno scambiatore di calore a fascio tubiero, con una testa estesa per il disimpegno del vapore. Il processo prevede una circolazione naturale, o un design a film ascendente, in cui l'acqua di alimentazione scorre verso l'alto attraverso i tubi e il vapore dell'impianto viene introdotto sul lato del mantello.
Il primo effetto funziona a pressioni di 60-80 psi, con il vapore che si condensa all'esterno dei tubi, trasferendo il calore all'acqua interna per produrre altro vapore puro. Il vapore dell'ultimo effetto è diretto a un condensatore di acqua di alimentazione, che utilizza l'acqua di alimentazione per condensare, raffreddare e riscaldare. I sistemi MED richiedono condensatori separati che utilizzano acqua di raffreddamento, dove il vapore puro dell'ultimo effetto viene condensato e il vapore residuo viene sottoraffreddato alla temperatura prevista.
MED opera a temperature e pressioni più elevate rispetto ai sistemi VC, richiedendo una migliore qualità dell'acqua di alimentazione. Ogni effetto contribuisce a una parte della produzione totale di WFI, assicurando che l'acqua soddisfi i requisiti di qualità e riducendo al minimo la formazione di calcare attraverso un processo di blow-down. Il vapore rimanente è esposto alla temperatura più fredda, che lo fa condensare sullo scambiatore di calore e diventare distillato. Questo distillato, ora WFI, viene quindi estratto tramite una pompa.
I vantaggi della compressione del vapore e della distillazione a effetto multiplo
Sebbene entrambi siano efficaci sistemi di purificazione utilizzandoprincipi simili, la MED e la VC presentano principi simili, MED e VC presentano numerosi vantaggi distinti. Sebbene la distillazione a effetto multiplo sia da tempo il metodo più comunemente utilizzato per la purificazione dell'acqua, la compressione del vapore ha guadagnato terreno come alternativa grazie ad alcuni dei suoi interessanti vantaggi.
Entrambi i sistemi producono acqua purificata e l'acqua per iniezione, più severamente regolamentata. (WFI), garantendo il 100% di abbattimento microbico grazie al funzionamento a temperature auto-sanificanti. Ciascuno di essi è in grado di soddisfare le monografie farmacologiche con un adeguato pretrattamento. VC è in grado di produrre WFI ambientale senza acqua di raffreddamento, mentre MED può fornire vapore puro per le testate. La scelta della soluzione migliore per una determinata applicazione dipende dal volume d'acqua richiesto e dalla natura dell'operazione.
I vantaggi della compressione del vapore
Qualsiasi processo di distillazione richiede una certa misura di pretrattamento dell'acqua di alimentazione. Tuttavia, sistemi a compressione di vapore operano a una temperatura più bassa rispetto ai sistemi multieffetto, il che conferisce loro una maggiore tolleranza alla presenza di cloruro e silice, componenti che possono causare accumuli e corrosione se esposti a calore estremo. Possono quindi accettare l'acqua di alimentazione dopo un trattamento di addolcimento, mentre le apparecchiature MED devono prima essere sottoposte a osmosi inversa e declorazione.
I vantaggi della compressione del vapore (VC) comprendono la riduzione del fabbisogno di vapore e acqua di raffreddamento dell'impianto grazie alla sua efficienza termica, in quanto il processo ricicla il calore latente, riducendo la necessità di un condensatore separato. I sistemi VC possono produrre WFI sia a caldo che a temperatura ambiente senza bisogno di acqua di raffreddamento, consentendo la produzione a circa 25 gradi sopra la temperatura dell'acqua di alimentazione in ingresso con l'aggiunta di alcuni raffreddatori di distillato. Questa flessibilità consente agli alambicchi VC di soddisfare diversi requisiti di temperatura nella produzione di WFI.
Tra i due, i sistemi a compressione di vapore sono più efficienti in generale. Riutilizzano continuamente il calore generato e le gocce purificate rimosse prima della distillazione ritornano semplicemente nell'acqua di alimentazione per essere nuovamente trattate. Ciò comporta costi operativi generalmente ridotti grazie alla loro efficienza termica e ai minimi requisiti di pretrattamento. La possibilità di utilizzare direttamente l'acqua addolcita e declorata, senza pretrattamento estensivo, evidenzia ulteriormente l'economicità dei sistemi VC. La compressione del vapore offre anche il vantaggio di produrre WFI sia a caldo che a temperatura ambiente, grazie ai suoi metodi di lavorazione.
Inoltre, i sistemi VC tendono ad avere un ingombro minore rispetto ai sistemi di distillazione a effetto multiplo, con un potenziale risparmio di spazio e dei costi immobiliari associati in un impianto.
Compressore GII di MECO
Il compressore che MECO ha progettato e produce internamente per il nostro VC si chiama ancora GII Centurbo™ Compressor. Si tratta di un compressore a trasmissione diretta con la girante collegata direttamente all'albero motore, eliminando la necessità di giunti flessibili, pulegge e scatole di ingranaggi. Il GII Centurbo™ è montato direttamente sull'evaporatore di vapore, eliminando così il lavoro di manutenzione dei condotti.
I vantaggi del nostro GII brevettato sono molteplici Centurbo™. Il design compatto consente di installarlo in 1-2 ore e di accedervi più facilmente per la manutenzione. La girante e la campana di aspirazione sono fuse in Inconel e acciaio inox 316, e poi lavorate per ottenere una finitura superficiale liscia e omogenea inferiore a 25Ra.Il GII Centurbo™ ha meno del 10% dei componenti di altri compressori industriali per alambicchi VC. compressori industriali per alambicchi VC.
Per un tipico compressore GII, la riduzione della velocità del compressore del 25% ridurrà il consumo elettrico del 50%. Inoltre, riducendo la velocità del compressore del 50%, si ridurrà il consumo elettrico dell'80%. Si noti che la velocità del compressore è legata direttamente e proporzionalmente alla produzione di distillato. Quindi un MECO VC può produrre la metà della portata nominata e un quinto del consumo elettrico. Questo perché utilizziamo un VFD (Variable Frequency Drive, talvolta noto come Variable Speed Drive, VSD) per utilizzare la legge di potenza e far funzionare il compressore in modo efficiente.
L'aspetto forse più importante è l'impatto del compressore GII sul consumo energetico del vapore. La tecnologia GII consente di variare la produzione del distillatore all'interno di una determinata capacità massima. Invece di avviarsi e fermarsi per produrre una potenza fissa, i distillatori d'acqua a compressione MECO GII hanno una potenza variabile per soddisfare le esigenze di produzione in diminuzione o in aumento. Come si può vedere dal grafico, una riduzione del 25% della capacità produttiva si traduce in una riduzione del 40% della potenza del compressore.
Il funzionamento al turndown non solo può far risparmiare denaro, ma se il sito dispone della capacità del serbatoio WFI e di un consumo di produzione flessibile, il funzionamento a portate più basse mantiene i sistemi in funzione e caldi più a lungo, con vantaggi meccanici (riduzione degli avviamenti e degli arresti, con conseguente riduzione dell'usura) e riduzione del rischio per la qualità del prodotto, poiché il sistema viene mantenuto in condizioni altamente sanitarie più a lungo.
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I vantaggi della distillazione a effetto multiplo
La distillazione a effetto multiplo (MED) è particolarmente adatta per i sistemi WFI più piccoli, in quanto consente la produzione simultanea di WFI e vapore puro utilizzando il vapore dell'impianto. Questa doppia capacità può essere vantaggiosa per gli impianti che richiedono sia vapore puro che WFI in qualsiasi momento.
Sebbene per certi versi non sia altrettanto efficiente di un sistema VC, l'apparecchiatura MED presenta i suoi vantaggi. Pur avendo un certo numero di parti in movimento, MED consuma meno energia elettrica in quanto non ha un compressore. Inoltre, la natura in qualche modo modulare del design a effetti multipli consente agli impianti di scegliere le dimensioni del sistema in base alle proprie esigenze, con unità più piccole come i sistemi a tre effetti che rappresentano un investimento iniziale significativamente inferiore.
Un vantaggio unico della distillazione a effetto multiplo è la possibilità di sfruttare il primo effetto per ottenere vapore purificato. Alcuni MED di MECO sfruttano questa capacità e consentono all'utente di produrre contemporaneamente WFI e vapore puro. Alcuni consentono anche il rilascio di vapore purificato da più effetti. I sistemi MED garantiscono una solida qualità dell'acqua, mentre gli effetti multipli dell'evaporatore aumentano l'efficienza riducendo il consumo di energia elettrica man mano che si aggiungono altri effetti.
Sebbene i sistemi MED richiedano condensatori separati con acqua di raffreddamento per una condensazione e un sottoraffreddamento efficaci, richiedono meno energia elettrica e hanno minori esigenze di manutenzione grazie al minor numero di parti in movimento. Mentre il loro sistema di alimentazione a gravità può richiedere più spazio per la testaQueste caratteristiche rendono i sistemi MED una scelta efficace per le strutture con requisiti specifici di generazione di vapore e garanzia di qualità.
Confronto tra VC e MED per le esigenze operative
Quando si confrontano la compressione del vapore e la distillazione a effetto multiplo per le esigenze operative, entrano in gioco diversi fattori, tra cui la qualità dell'acqua di alimentazione, i requisiti di capacità, i costi delle utenze e le infrastrutture. In generale, i sistemi VC hanno costi iniziali più elevati ma costi operativi inferiori, soprattutto se utilizzati per produrre WFI fredda. Tuttavia, la disparità diminuisce significativamente quando si confrontano unità MED con un numero maggiore di effetti e una maggiore richiesta di produzione.
Per una struttura che ha bisogno di poca acqua depurata e che dà priorità allo spazio, l'aumento del costo per gallone di WFI può valere la pena per un sistema MED che si adatta meglio alle sue esigenze operative.
Un altro punto importante quando si valuta il rapporto tra VC e MED è la qualità e la composizione dell'acqua di alimentazione disponibile, che avrà un impatto significativo sui requisiti di pretrattamento di ciascun sistema. I sistemi VC, più economici per le operazioni di media e grande capacità, richiedono meno pretrattamenti e hanno un ingombro ridotto, con conseguente risparmio di spazio e costi. I sistemi MED, invece, sono ideali per le piccole esigenze di WFI e offrono la produzione simultanea di WFI e vapore puro. La scelta tra VC e MED deve considerare fattori quali la qualità dell'acqua di alimentazione, la capacità del sistema, i costi delle utenze e la disponibilità di infrastrutture.
Anche i costi operativi, comprese le spese per il capitale, le utenze e la manutenzione, sono fattori cruciali da considerare. In definitiva, entrambe le tecnologie soddisfano i requisiti di qualità WFI e la decisione deve basarsi su un'analisi dei costi totali di gestione e dei vincoli specifici del sito.
Requisiti e considerazioni sul pretrattamento
Un pretrattamento efficace è essenziale sia per i sistemi a compressione di vapore (VC) che per quelli a distillazione a effetto multiplo (MED) per garantire una produzione di acqua per iniezione (WFI) di alta qualità. I sistemi VC beneficiano di un processo di pretrattamento più semplice ed economico, in quanto possono spesso utilizzare acqua addolcita e declorata senza dover ricorrere all'osmosi inversa (RO), grazie all'assenza di limiti di solidi totali disciolti (TDS) nell'acqua di alimentazione.
D'altra parte, i sistemi MED funzionano a temperature più elevate e in genere richiedono un RO a singolo passaggio per rispettare i limiti di conducibilità e gestire efficacemente i livelli di durezza e silice. Il processo di pretrattamento per entrambi i sistemi comprende generalmente filtri multimediali, addolcitori per la rimozione della durezza e filtri a carbone per l'eliminazione del cloro e della cloramina.
Il mantenimento di un'adeguata qualità dell'acqua di alimentazione è fondamentale per ridurre al minimo la formazione di incrostazioni all'interno degli alambicchi; le incrostazioni di durezza vengono solitamente rimosse chimicamente, mentre quelle di silice possono richiedere una rimozione meccanica. L'impostazione di tassi di blowdown appropriati in base alla qualità del pretrattamento è fondamentale per un funzionamento efficiente e per la prevenzione delle incrostazioni. Per tenere conto delle variazioni stagionali e mantenere prestazioni ottimali, si raccomanda di effettuare regolarmente analisi della qualità dell'acqua di alimentazione.
Analisi dei costi e considerazioni economiche
Nella scelta tra sistemi a compressione di vapore (VC) e sistemi a distillazione a effetto multiplo (MED), è essenziale un'analisi approfondita dei costi, che comprenda sia le spese di capitale che quelle operative. I sistemi VC sono generalmente più efficienti e convenienti, in particolare con acqua di alimentazione addolcita, grazie al ridotto fabbisogno di vapore e acqua di raffreddamento dell'impianto, che si traduce in una riduzione dei costi operativi.
Al contrario, l'aggiunta di effetti a un sistema MED può ridurre il consumo di energia elettrica, ma non aumenta la produzione di WFI, il che richiede un esame dettagliato dei costi delle utenze e del costo totale di proprietà. La decisione deve tenere conto di fattori specifici del sito, come i costi delle utenze, la qualità dell'acqua di alimentazione e le esigenze di pretrattamento.
Un confronto dettagliato dei costi, comprese le spese di capitale (CapEx) e le spese operative, è fondamentale per determinare il periodo di ammortamento e la redditività economica di ciascuna tecnologia. In definitiva, la scelta dovrebbe basarsi su una valutazione completa di tutti i costi associati, garantendo l'allineamento con gli obiettivi operativi e finanziari della struttura.
Considerazioni sull'ingombro e sull'infrastruttura
L'ingombro e l'infrastruttura sono fattori critici nella scelta tra i sistemi di compressione del vapore (VC) e di distillazione a effetto multiplo (MED). I sistemi VC hanno in genere un ingombro minore rispetto ai sistemi MED, offrendo un potenziale risparmio in termini di spazio e costi immobiliari. Ad esempio, un sistema VC da 20 GPM è generalmente più compatto di un sistema MED con fino a 5 o 6 effetti.
Tuttavia, è importante considerare anche l'infrastruttura di pretrattamento. I sistemi MED spesso richiedono un'infrastruttura estesa, che comprende skid per l'osmosi inversa (RO) e l'elettrodeionizzazione (EDI), oltre ad addolcitori, filtri multimediali e filtri a carbone.
Al contrario, i sistemi VC, che possono funzionare con acqua addolcita, di solito necessitano solo di filtri multimediali, addolcitori e un filtro a carbone, il che porta a una configurazione più snella. La decisione deve considerare attentamente lo spazio disponibile, la capacità dell'infrastruttura e le eventuali modifiche necessarie per ospitare uno dei due sistemi, assicurandosi che soddisfino efficacemente le esigenze spaziali e operative della struttura.
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